Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology
e-ISSN: 2088-6985 p-ISSN: 2087-3379 Accreditation Number: 432/Akred-LIPI/P2MI-LIPI/04/2012 www.mevjournal.com

## D EVELOPMENT OF D ISCRETE P OWER S UPPLY WITH C HARGE P UMP M ETHOD FOR H IGH P OWERED S ONAR S YSTEM

## R ANCANG B ANGUN C ATU D AYA D ISKRIT DENGAN M ETODE C HARGE P UMP

## UNTUK S ISTEM S ONAR B ERDAYA T INGGI
Kristian Ismail a, * , Syamsu Ismail b a Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI Kompleks LIPI Jl Sangkuriang, Gd 20, Lt 2, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia
b Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi - LIPI Kompleks LIPI Jl Sangkuriang, Gd 20, Lt 4, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia
Received 30 April 2012; received in revised form 6 July 2012; accepted 9 July 2012 Published online 31 July 2012

## Abstract
Power supply is one of the electronic devices that can provide electric energy for electronic systems or other systems. There are several types of power supplies that can be applied depend on the requirement and functions. One example is the use of power supply for sonar systems. Sonar system is a device which can be used to detect a target under water. The sonar system is an electronic circuit that requires a power supply with specific characteristics when the sonar functions as a transmitter and a receiver in the specific span time (when on) and the specific lag time (when off). This paper discusses the design of power supply for high-powered sonar systems with discrete methods in which high power supply is only applied when the acoustic waves radiated under water. Charge pump was used to get the appropriate output voltage from lower input voltage. Charge pump utilized a combination of series and parallel connections of capacitors. The working mode of this power supply used the lag time as the calculation of time to charge charge pump capacitors in parallel while the span time was used for the calculation of discharging the charge pump capacitors in series.
Key words: power supply, charge pump, discrete method.

## Abstrak
Catu daya adalah salah satu perangkat elektronika yang dapat menyediakan energi listrik untuk sistem elektronika atau sistem lainnya. Terdapat beberapa jenis catu daya yang dapat diaplikasikan sesuai dengan kebutuhan dan fungsinya, salah satu contohnya adalah penggunaan catu daya untuk sistem sonar. Sistem sonar adalah alat pendeteksi keberadaan target di bawah air, sistem tersebut berupa rangkaian elektronika yang memerlukan catu daya dengan karakteristik yang spesifik. Catu daya dibutuhkan pada saat sonar sebagai pemancar dan sebagai penerima dalam rentang waktu (saat on ) dan jeda waktu (saat off ) yang spesifik. Untuk memenuhi karakteristik dan spesifikasi tersebut, maka digunakan catu daya diskrit yang menggunakan metode charge pump untuk mengumpulkan energi listriknya. Dalam tulisan ini dibahas tentang rancang bangun catu daya yang digunakan untuk menyediakan energi listrik bagi sistem sonar berdaya tinggi dengan metoda diskrit yaitu pengaktifan catu daya tinggi tidak kontinyu melainkan hanya pada saat gelombang akustik diradiasikan di bawah air. Metoda pengumpulan energi ke komponen pengubah tegangan menggunakan charge pump . Charge pump pada catu daya yang dikembangkan ini memanfaatkan kombinasi hubungan seri dan paralel kapasitor. Cara kerja catu daya ini menggunakan jeda waktu sebagai perhitungan waktu untuk pengisisan kapasitor charge pump secara paralel sedangkan rentang waktu digunakan untuk perhitungan pengosongan kapasitor charge pump secara seri.
Kata kunci: catu daya, charge pump , metode diskrit.

## I. P ENDAHULUAN
Negara Kesatuan Republik Indonesia terdiri dari sekitar 17 ribu pulau dengan dua per tiga luas wilayahnya berupa lautan. Sistem
komunikasi saat ini umumnya menggunakan media fisik seperti kabel tembaga, serat optik, dan gelombang radio. Populasi pengguna gelombang radio sudah demikian padat sehingga pemanfaatan medium lain seperti air akan mengurangi kepadatan pengguna frekuensi radio. Oleh karena itu, teknologi elektronika bawah air
* Corresponding Author. Tel: +62-22-2503055 E-mail: ksansan@yahoo.com
untuk beberapa kepentingan seperti sistem komunikasi, sistem sonar, sistem pengamanan, eksplorasi kekayaan bawah air, dan kepentingan lainnya merupakan suatu kebutuhan yang tidak dapat diabaikan [1].
Sonar adalah sebuah piranti untuk mengamati (mendeteksi dan menyidik) keberadaan dan lokasi benda di bawah permukaan air dengan menggunakan gelombang suara yang dikirim dari peranti dan dipantulkan kembali oleh benda (objek) yang diamati [4]. Sinyal akustik untuk sistem sonar berpropagasi di dalam suatu medium (air) dengan cara menekan dan menarik partikel air [2]. Sumber energi listrik untuk sonar tersebut berasal dari sebuah catu daya. Catu daya sonar pada saat ini menggunakan catu daya kontinyu [3], artinya ketika catu daya tidak melayani beban, tegangan tetap tersedia walaupun arus tidak mengalir. Kondisi tersebut tidak menambah akumulasi daya keluaran tetapi menambah berat dan fisik catu daya. Ketika sistem sonar diperlukan untuk kebutuhan militer, sistem catu daya sonar kontinyu sulit untuk diterapkan karena sistem tersebut tidak menyediakan sistem yang kompak dan mudah dibawa.
Perancangan catu daya diskrit menjadi lebih ringan karena menggunakan kapasitor sebagai pengonversi tegangan (pada catu daya kontinyu menggunakan trafo). Namun pada perancangan catu daya diskrit terdapat kerumitan dalam menentukan waktu ( timing ) kapan melayani beban dan berapa lama waktu untuk pengisian ulang. Tujuan dari tulisan ini adalah membuat catu daya untuk sistem sonar yang bekerja secara diskrit (dalam interval waktu tertentu) dimana akan dilakukan proses perhitungan daya untuk waktu pengosongan dan waktu pengisian pada catu daya sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan.

## II. C ATU D AYA UNTUK S ONAR
Catu daya adalah salah satu perangkat elektronika yang dapat menyediakan energi listrik untuk sistem elektronika atau sistem
Gambar 1. Catu daya sonar.
lainnya. Gambar 1 merupakan contoh dari catu daya sonar. Catu daya jenis diskrit ditandai dengan penggunaan piranti semikonduktor yang berfungsi sebakai saklar. Catu daya sonar membutuhkan daya yang besar untuk mengirimkan gelombang suara di bawah air [3]. Dalam perancangan catu daya diskrit beberapa hal perlu diperhatikan yaitu besar beban daya yang dilayani, frekuensi kerja dan rentang tegangan yang dibutuhkan. Untuk daya dan tegangan catu daya sonar dapat dilihat pada spesifikasi transducer sedangkan untuk frekuensi kerja catu daya didapat dari waktu on dan waktu off sistem sonar.

## III. M ETODOLOGI
Pada perencanaan ini, metodologi dibagi menjadi beberapa tahap yaitu; pertama adalah identifikasi permintaan sistem, dimana pada tahap ini diidentifikasi karakteristik beban, media komunikasi, dan jarak komunikasi.
Selanjutnya adalah tahap perhitungan sumber daya dimana pada tahap ini dilakukan perhitungan sumber daya asal dan sumber daya yang akan diinputkan ke sistem. Setelah itu dilanjutkan dengan tahap perhitungan kapasitor, dimana dilakukan perhitungan pengisian kapasitor yang dihubung secara parallel dan perhitungan pengosongan kapasitor yang dihubung secara seri.
Tahap yang paling akhir adalah perencanaan charge pump , pada tahap ini penentuan hubungan dan jumlah kapasitor untuk charge pump . Perencanaan rangkaian pembangkit pulsa, pada tahap ini dilakukan perencanaan untuk mendapatkan pulsa sebagai penyulut hubungan kapasitor. Pulsa yang dihasilkan akan dijadikan sebagai timing untuk hubungan seri dan parallel pada kapasitor charge pump .

## A. Permintaan Sistem
Pada catu daya untuk sistem sonar perlu diperhatikan kebutuhan sistem seperti karakteristik pembebanan atau media dan jarak komunikasi. Transducer sebagai komponen
Gambar 2. Konstruksi sebuah transduser [6].
Gambar 3. Grafik kecepatan transmisi pada air laut.
pemancar (Gambar 2) mempunyai karakteristik pembebanan sebagai berikut:
• Resistansi tranduser 100 Ohm
• Tegangan kerja transducer tersebut berkisar antara 1.000 V sampai dengan 1.500 V
• Pembebanan transducer terhadap catu daya sebesar 10 kW selama 10 ms.
Catu daya yang direncanakan adalah untuk sistem sonar dengan kedalaman antara 100 meter sampai dengan 500 meter, kadar garam 10 %, dan jarak komunikasi pada perencanaan catu daya adalah 10 km.
Dari beberapa permintaan sistem di atas dapat dirancang waktu pengisian dan pengosongan kapasitor charge pump pada catu daya. Dimana waktu minimal pengosongan kapasitor adalah 10 milidetik, didapat dari waktu pembebanan transducer . Sedangkan waktu pengisian kapasitor didapat dengan melihat grafik kecepatan transmisi pada air laut di kedalaman 100 m sampai dengan 500 m (Gambar 3). Dari grafik didapat bahwa kecepatan transmisi adalah 1500 meter/detik [5]. Waktu pengisian kapasitor dapat dihitung dengan persamaan berikut ini
Ton = 10 km / 1.500 m = 6,7 detik
Dimana Ton adalah waktu pengisian, 10 km merupakan jarak komunikasi, dan 1500 m adalah kecepatan transmisi perdetik.

## B. Blok Diagram Sistem
Gambar 4 menunjukan blok diagram dari sistem yang dirancang. Pada blok diagram tersebut terlihat sumber daya utama adalah dari jala-jala listrik PLN. Sumber utama tersebut disearahkan dengan menggunakan penyearah satu fasa gelombang penuh. Setelah didapat tegangan DC maka tegangan tersebut akan diregulasi oleh kapasitor charge pump . Kapasitor tersebut dikontrol untuk menentukan kapan kapasitor diisi dan kapan kapasitor tersebut melayani beban.

## C. Perhitungan Sumber Daya
Pada prinsipnya, sumber daya utama untuk alat yang direncanakan berasal dari jala-jala
Gambar 4 Blok diagram sistem.
listrik PLN yang disearahkan. Penyearahan dilakukan menggunakan dioda jembatan gelombang penuh. Tegangan keluaran rata-rata adalah tegangan rata-rata yang keluar dari penyearah yang besarnya sama dengan dua kali tegangan maksimum dibagi dengan π seperti pada persamaan (1) [7]:
V rms = Vm/ √ 2 (1)

## Vm = √ 2 V rms
Dari Gambar 5 dan persamaan (1) didapat bahwa tegangan sumber yang diterima oleh catu daya adalah = √ 2 x 220 = 311,12 volt DC.
Tegangan sumber akan dikalikan empat menjadi 1.244,48 Volt DC sesuai dengan spesifikasi tegangan beban yaitu 1.000 V sampai dengan 1.500 V. Untuk mengalikan tegangan sumber menjadi empat maka dibutuhkan empat buah kapasitor.

## D. Kapasitor Charge Pump
Kapasitor dapat dirangkai dengan beberapa kombinasi hubungan diantaranya hubungan seri, hubungan parallel, dan seri parallel. Setiap kombinasi akan mendapatkan perbedaan nilai kapasitansinya [8]. Untuk menghitung kapasitansi yang digunakan perlu dihitung terlebih dahulu energi yang diperlukan dalam pembebanan. Energi didapat dari hasil perkalian daya beban dan waktu pembebanan.
Energi = W x T (2)
Dengan W adalah daya beban dan T adalah waktu pembebanan, dapat disimpulkan bahwa energi yang diperlukan untuk mensuplai transducer selama transmisi 10 ms adalah = 10.000 x 10 -2 = 100 watt det . Harga kapasitansi minimum didapat dengan persamaan (3) dan (4):
E= ½ QV (3) Q = C V (4)
Dimana E adalah energi, Q adalah muatan, C adalah kapasitansi pengosongan, dan V adalah tegangan kerja minimum. Ketika persamaan (3) dan persamaan (4) digabungkan maka harga
Beban ∞ Sumber PLN Penyearah Kapasitor Charge pump Kontrol Pembangkit Lebar Pulsa
Gambar 5. Rangkaian penyearah.
kapasitansi minimum untuk catu daya komunikasi bawah air adalah:
Cp = F
Cp = F = 0,0002 F = 200 µF
Pada tulisan ini direncanakan menggunakan empat kapasitor dikarenakan teganan sumber dari PLN akan dinaikkan empat kali lipat, namun pada saat proses pengosongan kapasitor harus tetap berkapasitansi 200 µF (kapasitor dihubung seri).
Kapasitor dihubung seri pada saat pengosongan/pembebanan  sehingga kapasitansi setiap kapasitor dapat dihitung dengan persamaan (5) dan (6) [9].
(5)
C1 = C2 = C3 = C3 = C4 = C (6)
Ketika persamaan (5) dan persamaan (6) digabungkan maka:
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 C = 4CP
sehingga: C = 4 x 200 µF = 800 µF dimana Cp adalah kapasitor total pengosongan, dan C = C1 = C2 = C3 = C4 adalah kapasitor charge pump. Ilustrasi pengosongan kapasitor dapat dilihat pada Gambar 6 dimana terlihat bahwa pada saat pembebanan, kapasitor charge pump hanya terhubung ke beban sedangkan catu daya utama dilepaskan dari kapasitor charge pump . Pada saat pengisian, kapasitor dihubungkan parallel sehingga perhitungan kapasitansi total pada saat pengisian didapat dilakukan dengan persamaan (7) dan (6) :
Cs = C1 +C2+C3+C4
(7)
Gambar 6. Pengosongan kapasitor pada saat pembebanan.
Ketika persamaan (7) dan persamaan (6) digabungkan, dimana Cs adalah kapasitor total pengisian, maka Cs = 4C = 4 x 800 µF = 3.200µF . Ilustrasi pengisian kapasitor diperlihatkan pada Gambar 7. Pada gambar tersebut terlihat dimana pada saat pengisian kapasitor hanya terhubung ke catu daya utama, sedangkan ke bebannya diputus.
Dengan nilai kapasitansi 800 μ F, maka ketika dihubung parallel, akan memiliki nilai kapasitansi sebesar 3.200 μ F. Sedangkan ketika dihubung seri akan memiliki nilai kapasitansi 200 μ F. Terlihat bahwa nilai kapasitansi ketika dihubung parallel berkisar enam belas kali lipat dibanding dengan nilai kapasitansi ketika kapasitor dihubung seri. namun ketika dihubung seri tegangan kerja dari kapasitor akan lebih tinggi empat kali lipat dibanding dengan tegangan kerja kapasitor ketika dihubung parallel.

## E. Perhitungan Kapasitor
Setelah diperoleh harga kapasitansi pada saat dihubung paralel dan pada saat dihubung seri, maka selanjutnya perlu dihitung tegangan akhir pada proses pengosongan dan tegangan akhir pada proses pengisian di waktu jeda. Persamaan (8) menunjukkan konstanta waktu RC sedangkan persamaan (9) menunjukkan pengosongan kapasitor untuk perhitungan tegangan akhir pada proses pembebanan.
τ = R ×C (8)
Vc ab = Vo c ( / ) (9)
dimana :
Vc ab = nilai akhir setelah pembebanan Vo c = nilai awal tegangan pada kapasitor e = nilai euler (2,7182818)
t = waktu dalam satuan detik
τ = konstanta waktu persamaan (11) merupakan persamaan pengisian kapasitor untuk perhitugan tegangan akhir selama proses delay .
Vc ap = Vo s ( 1 ­ / ) (10)
dimana Vc ap adalah nilai akhir setelah pengisian dan Vo s adalah nilai awal tegangan dari sumber.
Gambar 7. Pengisian kapasitor charge pump.
Dari persamaan (9), pada saat pengosongan kapasitor terjadi penurunan tegangan secara eksponensial. Penurunan tegangan selama pembebanan tidak boleh kurang dari spesifikasi beban. Dari persamaan (8) dengan C = 200 µF dan Resistansi tranduser R = 100 Ohm, didapat τ = 0,0199. Penurunan tegangan selama 10 ms pembebanan dapat dihitung dengan persamaan (9). Dari hasil perhitungan menggunakan persamaan (9), di atas dimana ketika catu daya mengirimkan tegangan sebesar 1.244,48 V (311.12 V x 4) sesuai dengan permintaan beban selama 10 ms, akan terjadi penurunan tegangan menjadi = 1.244,48 , / , = 1.184.05 V, namun penurunan ini masih di dalam area tegangan kerja tranduser.
Dari persamaan (10) pada saat pengisian kapasitor terjadi penaikan tegangan secara eksponensial. Penaikan tersebut harus diperhitungkan lama waktunya sehingga tegangan kapasitor tidak boleh kurang dari tegangan sumber. Dari persamaan (8) dengan C = 3.200 µF dan Resistansi tranduser R = 100 Ohm, didapat τ = 0,32. Penaikan tegangan selama 6,7 detik pengisian dapat dihitung menggunakan persamaan (10) Vc ap = 311,12 ( 1 - , / , )= 311,12 (0,999)= 311,1199 V. Dari hasil perhitungan di atas dapat disimpulkan bahwa tegangan pengisian mendekati tegangan sumber, dengan demikian pengisian kapasitor selama 6,7 detik cukup untuk mengisi kapasitor secara penuh.

## F. Rangkaian Kontrol Pembangkit Lebar Pulsa
Rangkaian pembangkit pulsa untuk charge pump menggunakan rangkaian analog maupun
Gambar 8. rangkaian pembangkit pulsa.
Gambar 9. Diagram blok Mikrokontroler.
digital (mikrokontroler). Rangkaian pembangkit pulsa analog dapat menggunakan IC PWM SG3524. Keluaran gelombang tegangan PWM SG3524 memiliki kemampuan untuk mengatur lebar pulsa serta mengatur frekuensi keluaran. Lebar pulsa diatur melalui tegangan masukan kaki terminal In+, In- dan comp (Gambar 8), tegangan masukan ini dapat diatur secara manual dengan variable resistor melalui terminal comp . Frekuensi keluaran dapat diatur melalui Rt dan Ct . Dari datasheet , diperoleh persamaan (11) untuk menentukan frekuensi yaitu [10] :
f = 1.3 / (Rt ∙ Ct) (11)
dimana f adalah frekuensi kerja, Rt adalah tahanan osilasi, dan Ct adalah kapasitor osilasi Selain menggunakan IC SG3524, pembangkitan pulsa juga dapat menggunakan rangkaian mikrokontroler. Mikrokontroler dilengkapi dengan arithmetic and logic unit (ALU) sehingga dapat digunakan untuk menangani perhitungan osilasi. Oleh karena itu, pada rangkaian mikrokontroler tidak lagi perlu membuat rangkaian osilasi dikarenakan osilasi dapat dibangun secara perangkat lunak.
Seperti pada Gambar 9, pembangkitan pulsa dapat dikeluarkan melalui port 0 sampai dengan port 3. Sedangkan perhitungan waktu pada mikrokontroler dapat dibantu oleh register timer .
Gam

## IV. H AS
Rangkai dilihat pada komponen paralel dan sakelar sing sakelar pa kapasitor ad posisi ‘baw paralel. Ga keluaran  p trigger untu Timing ters Gambar 12 kontrol catu pump untuk kapasitor 80 saat kapasit pengisian, k kapasitor  d pembebanan melebihi da

## V. K ESIM
Dari beb beberapa ke
‐ Catu d daya dis
‐ Penaika kombin ke seri.
‐ Kecepa rendah penerim dan kua
‐ Dengan daya se dengan

## U CAPAN
Terima atas kese penelitian  i sampaikan memberikan
1
mbar 11. Bentuk SIL DAN P E an lengkap d a Gambar 1 untuk meng seri direpre gle pole do ada posisi dalah seri, k wah’ maka hu ambar 11 m pada rangka uk kapasitor ebut sesuai d
2 merupaka u daya diskr k sistem sona 00 µF (hasil tor dihubung kapasitor dap dihubung ser
n, tidak terj ari spesifikas MPULAN
berapa pema esimpulan:
aya sonar d skrit dengan an tegangan nasi hubunga atan rambat mengakiba ma ditentuka at sinyal. n sistem yang esuai dengan dimensi dan
T ERIMA K kasih kami empatan m ini. Ucapan pada re n bantuan da
k gelombang ke EMBAHAS dari perancan 10. Pada gam gubah hubun sentasikan d
oble trow .  K ‘atas’ mak ketika kontak ubungan kap menunjukkan aian penyul hubungan se dengan kebu an foto da rit dengan m ar berdaya ti l perhitungan
g paralel den pat terisi pen ri dengan 1 jadi drop te i beban. aparan diatas dapat mengg charge pump dapat dilak an kapasitor
gelombang atkan kualit an juga oleh
g direncanak n kebutuhan n berat yang m
K ASIH sampaikan  p mempublika yang sama kan-rekan alam penelitia 1
eluaran. AN ngan ini dap mbar tersebu ngan kapasito dengan konta
Ketika konta ka hubunga k sakelar pad pasitor adala
n gelomban lutan sebag eri dan paral utuhan sistem ari rangkaia metode charg inggi. Denga
n), maka pad ngan 6,7 deti nuh. Pada sa
10 mili deti egangan yan
s dapat ditari gunakan cat mp kukan denga r dari parall
akustik yan tas informa waktu tund
kan, diperole sistem namu minimum.
pada penerb asikan has a ingin kam yang tela an ini. 6 al Power, and Ve at ut or ak ak an da ah ng ai el. m. an ge an da ik at ik ng ik tu an el ng asi da eh un bit sil mi ah
R EF [1]
[2] [3] [4] [5] [6] [7]
[8]
[9]
[10] 1
Gam

## FERENSI
Ismail Sy Komunikas Akustik,  L Bandung : 2 Urick J. Ro Sound, 3D Company, N __________ systems an http://www upply.htm, B. sicilian Springer Ha 3-540-2395 Fischer, F. acoustics,  I York, Lond Ismail Sya Elemen T Sistem Ko Elektronika 2, Juli 2007 Kasap, S.O material an Company, T C-C. Wan improvemen IEEE Journ no. 6 , pp.85 Yuda, Meng [Online]. http://www tung-dan-m Diakses tan _________, Pulse Width Dallas, 201
mbar 12. Foto r yamsu, Pen si Strategis M Laporan Pe 2008.
obert, Princi D Edition New York :
__, Professio nd product .dflsystems.c diakses tang o, O. Kha andbook of 57-4, 2008 . A, Funda Interscience don : 1955. amsu, Deni ransduser  P omunikasi  B a dan Teleko 7. O., “Princip nd devices,” Toronto: 200 ng and J-C nt in char nal of Solid S 52-860 June ghitung dan
.linksukses.c mengukur-kap nggal 5 juni 2
,SG2524 SG h Modulator 1
rangkaian. ngembangan Menggunaka enelitian PP
iples of Und McGraw-Hi 1983. onal e [Online].  A co.uk/sonar_ ggal 4 juni 20
atib, Sonar Robotics. IS
amental Of Publisher,  I
i P., “Kara Piezoelektrik Bawah Air,” munikasi , V ples of el McGraw-H 02. C. Wu, “E rge pump State Circuits 1997
mengukur k
A
com/2011/06
pasitor.html,
2012
G 3524 R rs, Texas Ins
Sistem an Sinyal PET-LIPI
der water ill Book electronic
Available: _power_s 012 Sensing, SBN 978-
Electro-
Inc, New
akterisasi k Untuk ” Jurnal Vol. 7 No.
lectronics Hill Book Efficiency circuits,” s, vol. 32,
kapasitor , Available:
6/menghi 2011.
egulating strument,